2022年底，聯(lián)發(fā)科和高通發(fā)布的最新旗艦手機(jī)SoC都有一個(gè)重要的特性——支持硬件級(jí)光線追蹤技術(shù)。

2023年剛開年，全球第四大硅IP提供商Imagination Technology，也是硬件級(jí)移動(dòng)光線追蹤技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，發(fā)布了其第二代硬件級(jí)光線追蹤IP IMG DXT，憑借可擴(kuò)展的特性，智能手機(jī)從主流到旗艦級(jí)都能用上硬件級(jí)光線追蹤，推動(dòng)移動(dòng)光線追蹤技術(shù)的普及。

雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))了解到，IMG DXT預(yù)計(jì)會(huì)在18-24個(gè)月內(nèi)商用。

這意味著，2023年將是手機(jī)支持光線追蹤的關(guān)鍵一年，26億手機(jī)游戲玩家離在手機(jī)上體驗(yàn)到光線追蹤的游戲又更近了一步。

過去幾年，移動(dòng)端光線追蹤技術(shù)不斷有消息放出，但遲遲沒有看到其在智能手機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用，原因是什么？

Imagination公司首席營(yíng)銷官David Harold認(rèn)為，“主要原因是他們雖然技術(shù)成功了，但能耗過大，難以在手機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用。這也恰恰體現(xiàn)出我們L4級(jí)別光線追蹤對(duì)性能和能耗優(yōu)化的重要性?！?/p>

技術(shù)之外，生態(tài)更是影響移動(dòng)端光線追蹤的長(zhǎng)期且重要的因素。Imagination這一次給出了什么樣的解決方案？

移動(dòng)端光線追蹤普及的兩大難題

光線追蹤技術(shù)是通過模擬真實(shí)世界中光線的表現(xiàn)，創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)生活幾乎無異的三維（3D）場(chǎng)景，可以讓3D游戲場(chǎng)景中的光照更加貼近真實(shí)生活中的折射和反射。

借助開啟光線追蹤技術(shù)和沒有光線追蹤技術(shù)的相同場(chǎng)景的對(duì)比，比如陽光下墻壁上的陰影，以及任何鯊魚在水中的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)，就可以輕松發(fā)現(xiàn)光線追蹤技術(shù)對(duì)于追求更加沉浸和真實(shí)體驗(yàn)的游戲玩家，是一個(gè)極具誘惑力的技術(shù)升級(jí)，但這非常耗費(fèi)計(jì)算資源。

“現(xiàn)在市面上能夠看到的任何宣稱有光線追蹤技術(shù)的手機(jī)，其實(shí)用的都還是第一級(jí)別的軟件解決方案，真正使用起來能耗會(huì)非常嚇人。”David Harold直言。

功耗也是移動(dòng)端光線追蹤普及的第一大技術(shù)難題。引發(fā)這個(gè)問題的關(guān)鍵在于光線追蹤實(shí)現(xiàn)的方式，借助Imagination提出的光線追蹤GPU的分級(jí)可以更好理解這一點(diǎn)。

2021年底Imagination發(fā)布首款硬件級(jí)光線追蹤GPU IP 時(shí)，就提出了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（RTLS）：

• 1級(jí)為現(xiàn)有硬件上的軟件解決方案。性能低，效率低。

• 2級(jí)增加了用于光線追蹤的第一部分硬件。與1級(jí)相比，可以將基本光線追蹤效果的效率提高。

• 3級(jí)增加了用以處理發(fā)射光線的硬件，與2級(jí)解決方案相比，可大大降低功耗。

• 4級(jí)增加了相干性聚集功能，針對(duì)復(fù)雜的桌面級(jí)效果大大提升了性能，讓其可以在移動(dòng)端功耗預(yù)算下應(yīng)用。

• 5級(jí)是一項(xiàng)未來等級(jí)，可在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)更大數(shù)目的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，并帶有額外的硬件加速。

“一家公司想要驕傲地宣稱有光線追蹤技術(shù)，第一步要做的是從軟件級(jí)別開始?！盜magination 公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Stephen Barton表示“用軟件的方式實(shí)現(xiàn)光線追蹤的問題也顯而易見，計(jì)算開銷和功耗非常大。”

顯然，第2、3、4級(jí)的硬件級(jí)光線追蹤解決方案，才是光線追蹤在移動(dòng)端普及的基礎(chǔ)。根據(jù)Imagination的分類，目前主流的GPU提供商都在第2-第3.5級(jí)之間，只有Imagination此前發(fā)布的IMG CXT和最新發(fā)布的IMG DXT光線追蹤GPU處于第四級(jí)。

但僅有硬件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開發(fā)者、應(yīng)用和軟件生態(tài)是阻礙光線追蹤的另一大難題。

Stephen Barton說，“移動(dòng)端推廣光線追蹤確實(shí)是需要一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。硬件級(jí)光線追蹤只有觸及大部分終端市場(chǎng)，游戲開發(fā)者才會(huì)愿意開發(fā)帶有光線追蹤功能的游戲，否則他們會(huì)缺乏動(dòng)力?！?/p>

那如何才能破解這兩大挑戰(zhàn)？

讓主流和高端手機(jī)，都能用上硬件級(jí)光線追蹤

移動(dòng)端光線追蹤的普及，硬件和生態(tài)實(shí)際上也是相輔相成。

“我們上一代IMG CXT GPU已經(jīng)是4級(jí)的光線追蹤，但比較多的是針對(duì)高端的設(shè)備，沒有辦法達(dá)到讓主流機(jī)型都具有這個(gè)能力。這可能讓開發(fā)者覺得沒有那么大的必要去開發(fā)大量的光線追蹤的內(nèi)容。” David Harold認(rèn)為，“只有讓移動(dòng)端光線追蹤的功耗開銷處于可接受范圍，盡快鋪開到更多移動(dòng)設(shè)備，光線追蹤的內(nèi)容開開發(fā)者才會(huì)更愿意開發(fā)更多內(nèi)容。”

這也正是最新發(fā)布的IMG DXT的一個(gè)重要特性，可以覆蓋主流到高端的手機(jī)，支持從混合實(shí)現(xiàn)方案中的簡(jiǎn)單陰影到3A大作中的高級(jí)光追畫面等各類應(yīng)用。

實(shí)際上，這得益于IMG DXT系列可擴(kuò)展光線追蹤RAC（光線加速集群）。從低配的0.5 RAC 提供216MB/秒的光數(shù)運(yùn)算能力，8GB的光和檢測(cè)運(yùn)算能力，到高配的4 RAC，提供1.5GB的光線追蹤算力，64GB的光合檢測(cè)能力。

Imagination中國(guó)區(qū)技術(shù)總監(jiān)艾克指出，“有了DXT系列可擴(kuò)展的0.5 RAC到4 RAC，我們可擴(kuò)展的光線追蹤技術(shù)可以運(yùn)用到各個(gè)手機(jī)領(lǐng)域的層次。追求產(chǎn)品差異化的主流設(shè)備制造商可以選擇節(jié)省面積的半尺寸光線加速集群（RAC）配置，而追求高端性能的OEM可以選擇單、雙或四RAC配置打造終極移動(dòng)視覺體驗(yàn)?！?/p>

據(jù)雷峰網(wǎng)了解，DXT采用Photon架構(gòu)，是目前唯一達(dá)到光追系統(tǒng)（RTLS）4級(jí)的光追設(shè)計(jì)，有DXT-8-256、DXT-48-1536、DXT-72-2304三種配置，分別面向主流、高端、旗艦智能手機(jī)市場(chǎng)。

“無論RAC如何配置，與相同移動(dòng)配置下的CXT相比，DXT能夠?qū)⑻峁┛捎霉庾返拿娣e成本降低40%?！鞍吮硎尽?/p>

DXT系列的性能標(biāo)桿的旗艦產(chǎn)品DXT-72-2304，具有72 GTexels/s和2.5 TFLOP FP32算力。與上一代產(chǎn)品相比，最大單核性能提升了50%。并且，DXT核的單位面積性能密度比IMG CXT GPU高出20%，還大幅降低了功耗。

光線追蹤技術(shù)與片段著色率（FSR）技術(shù)結(jié)合，能夠用更小的功耗實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的畫面，這兩個(gè)技術(shù)的結(jié)合被艾克稱為“黃金搭檔”。

FSR是一種可以在幾乎不降低圖像質(zhì)量的前提下減少片段著色器運(yùn)行次數(shù)的技術(shù)，能夠降低占用的帶寬與功耗。

以具體的場(chǎng)景看，是否使用FSR技術(shù)對(duì)于畫質(zhì)肉眼幾乎看不出差別，但從熱力圖可以發(fā)現(xiàn)，使用了FSR技術(shù)之后，可以節(jié)省大量的運(yùn)算資源。在最極端的情況下，可以對(duì)一個(gè)4x4的片段區(qū)域只執(zhí)行一次著色器代碼，從而使工作負(fù)載減少近94%。

除了光線追蹤和FSR的黃金搭檔之外，DXT還有諸多使其能夠兼顧性能和能效的特性。比如2D雙速率紋理處理，許多先進(jìn)的游戲依靠大量紋理取樣實(shí)現(xiàn)高級(jí)過濾效果。IMG DXT GPU的紋理處理單元（TPU）內(nèi)置一個(gè)已獲得專利的創(chuàng)新特殊模式，能夠?yàn)檫@些后處理效果創(chuàng)建一條“快速通道”，在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時(shí)，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。

還使用RISC-V固件處理器，帶來調(diào)度40%的性能提升。

這些特性能夠支撐手機(jī)游戲更沉浸體驗(yàn)、更高游戲性能、更高能效的需求。

背后最核心的，正是IMG DXT Photon架構(gòu)中的光線加速集群（RAC）。BTU、DTTU、PTU單元實(shí)現(xiàn)的是第二級(jí)的光線追蹤，有了PCG相關(guān)的分析、分類、聚集和回溯能力以后，就實(shí)現(xiàn)了第三級(jí)光線追蹤，加上光線存儲(chǔ)以及光線任務(wù)的調(diào)度器等，綜合在一起達(dá)到RTLS級(jí)別中的第四級(jí)。

靈活可擴(kuò)展的架構(gòu)為移動(dòng)端光線追蹤的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但要普及和有優(yōu)秀的應(yīng)用體驗(yàn)，生態(tài)是一個(gè)影響更加深遠(yuǎn)的因素。

只能一點(diǎn)點(diǎn)普及光線追蹤

讓硬件級(jí)的光線追蹤覆蓋各個(gè)層級(jí)的手機(jī)終端會(huì)讓開發(fā)者更有動(dòng)力開發(fā)光追游戲，想要更進(jìn)一步推動(dòng)移動(dòng)光線追蹤的生態(tài)，就需要讓開發(fā)者能夠輕松上手。

“我們將開發(fā)者分為兩類，一類是專門做3A大作，愿意自己制作引擎的專家，他們主要采用的方式是在Valkan擴(kuò)展，通過API接口連接使用光線追蹤技術(shù)開發(fā)，對(duì)他們而言適應(yīng)光線追蹤相關(guān)的游戲開發(fā)并不是什么問題?！盨tephen Barton表示，“另一類是會(huì)采用Unity、Unreal或者O3DE引擎的開發(fā)者。面對(duì)這類開發(fā)者，我們跟O3DE展開合作，開發(fā)者只要跟著引導(dǎo)一步一步就可以完成對(duì)場(chǎng)景光線打光的相關(guān)設(shè)置?！?/p>

無論是采用Valkan擴(kuò)展還是使用主流的引擎，都必須進(jìn)行大量?jī)?yōu)化，才能滿足移動(dòng)端功耗和性能的需求，并且要保證符合游戲開發(fā)者原有的開發(fā)流程。

Stephen Barton介紹，“幾年前很多游戲廠商開始往移動(dòng)端移植3A大作都避不開優(yōu)化的過程，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，我們提供相應(yīng)的工具，比如PVR2能讓很多開發(fā)者輕松接受我們工具的引導(dǎo)，完成對(duì)光線追蹤技術(shù)的部署”

Imagination在光線追蹤方面已經(jīng)有生態(tài)的建設(shè)和儲(chǔ)備，包括與O3DE開源引擎合作，參加GDC游戲開發(fā)者大會(huì)，和亞馬遜一起展現(xiàn)光線追蹤在游戲引擎中可以起到的作用和能力，與完美世界、網(wǎng)易、騰訊、Unity ，OPPO，VIVO等游戲開發(fā)商合作。

但即便如此，光線追蹤的應(yīng)用和普及依舊會(huì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。

Stephen Barton強(qiáng)調(diào)，“光線加速集群作為一個(gè)獨(dú)立IP，可以不影響GPU本身的性能獨(dú)立運(yùn)行，這對(duì)移動(dòng)端的應(yīng)用非常重要。”

“不是從今天開始就要把所有內(nèi)容往都用光追技術(shù)打造，我們推薦大家在現(xiàn)有的游戲內(nèi)容中一點(diǎn)一點(diǎn)加入光追的元素，從用光線追蹤打造光影效果，隨著市場(chǎng)上移動(dòng)設(shè)備越來越多地使用硬件級(jí)光線追蹤技術(shù)，再進(jìn)一步增加光線追蹤的內(nèi)容。” Stephen Barton進(jìn)一步表示。

David Harold也指出，“從內(nèi)容的角度，我們離光線追蹤應(yīng)用徹底鋪開還差得很遠(yuǎn)。”

也就是說，雖然移動(dòng)端光線追蹤無論從技術(shù)還是生態(tài)的角度來說還有很長(zhǎng)的路要走，但這是一個(gè)明確的未來趨勢(shì)，也是備受期待的技術(shù)。

ABI 2022年的調(diào)查顯示，手機(jī)游戲用戶會(huì)從2022年的26億增長(zhǎng)到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家首選在手機(jī)上玩游戲。

26億的手機(jī)游戲用戶離光線追蹤更近一步，吸引未來近40億手機(jī)游戲玩家的因素，光線追蹤是一個(gè)關(guān)鍵，而Imagination正是這一技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

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